CCD的基本结构和工作原理

变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。CCD的部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图6(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷耦合(传输)方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移。电极结构的一个关键问题是CCD电极间隙。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，CCD便不能在外部脉冲作用下正常工作。能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因素决定。理论计算和实验证实，为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应小于3pm。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽度的尺寸。如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝大多数CCD,Ipm的间隙长度是足够小的。电荷的注入和检测4.1电荷的注入1.光注入当硅照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体产生电子一空穴对，其多数载流子被图7背而照射式光注入栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式与背面照射式。图7所示为背面照射式光注入的示意图。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷QiP=邛叽上八(2)式中：n为材料的量子效率；q为电子电荷量；an«,为入射光的光子流速率；A为光敏单元的受光面积；Tc为光注入时间。由式(2)可以看出，当CCD确定以后，11、q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷5,与入射光的光子流速率及注入时间T「成正比。注入时间T「由CCD驱动器的转移脉冲的周期T刃决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到CCD势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率“％成正比。在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐通量的关系为△心&=」，h、v、入均为常数。因此，在这种情况下，光注入的电荷量与入射的hv光谱辐亮度①C'成线性关系。2.电注入所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，这里仅介绍两种常用的电流注入法和电压注入法。1)电流注入法如图8(a)所示，由n'扩散区和p型衬底构成注入二极管。IG为CCD的输入柵，其上加适当的正偏压以保持开启并作为基准电压。模拟输入信号Ur加在输入二级管ID上。当为高电平时，可将J区(ID极)看作MOS晶体管的源极，IG为其姗极，而为其漏极。当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为TOC\o"1-5"\h\zLUCr人+不•于（5-几-SF（2-6）式中：W为信号沟道宽度；L＜；为注入栅IG的长度；“是载流子表面迁移率；S为IG栅电容。经过TC时间注入后，①2下势阱的信号电荷量HYPERLINK\l"bookmark18"\o"CurrentDocument"LUCrQs%不•于（5一%-U汗Tc（2-7）可见这种注入方式的信号电荷Qs不仅依赖于Up.和T“而且与输入二极管所加偏压的大小有关。因此，Qs与U痕的线性关系很差。3图8电注入方式（a）电流注入法；（b）电压注入法2）电压注入法如图8（b）所示，电压注入法与电流注入法类似，也是把信号加到源极扩散区上，所不同的是输入IG电极上加有与①2同位相的选通脉冲，但其宽度小于①2的脉宽。在选通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅①2下的势阱里，直到势阱的电位与n‘区的电位相等时，注入电荷才停止。①，下势阱中的电荷向下一级转移之前，由于选通脉冲已经终止，输的势阱中后，①：:电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷将通过输出栅(加有恒定的电压)下的势阱进入反向偏置的二极管(图中n‘区)。由山、电阻R、衬底p和n‘区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。进入到反向偏置二极管中的电荷，将产生辙出电流I”且I。的大小与注入到二极管中的信号电荷量成正比，而与电阻R成反比。电阻R是制作在CCD的电阻，阻值是常数。所以，输出电流1“与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且入栅下的势垒开始把①2下和n‘的势阱分开，同时，留在IG下的电荷被挤到①丄和n'的势阱中。由此而引起起伏，不仅产生输入噪声，而且使信号电荷Q与Ue线形关系变坏。这种起伏，可以通过减小IG电极的面积来克服。另外，选通脉冲的截止速度减慢也能减小这种起伏。电压注入法的电荷注入量Q与时钟脉冲频率无关。4.2电荷的检测（输出方式）在CCD中，信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输出电路的程度。目前，CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。1.电流输出如图9（a）所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极（图中电极）下OGKl昌_也p&ii-O-o放大图9电荷输出电路Qs=M⑶由于L的存在，使得A点的电位发生变化，L增大，A点电位降低。所以可以用A点的电位来检测二极管的输出电流1%用隔直电容将A点的电位变化取出，再通过放大器输出。图中的场效应管竹为复位管。它的主要作用是将一个独处周期输出二极管没有来得及输岀的信号电荷通过复位场效应输出。因为在复位场效应管复位栅为正脈冲时复位场效应管导通，它的动态电阻远远小于偏置电阻R,便二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使A点的电位恢复到起始的高电平。2.浮置扩散放大器输出由图9(b)所示，前置放大器与CCD同做在一个硅片上，为复位管，T2为放大管。复位管在①2下的势阱未形成之前，在RG端加复位脉冲①“，使复位管导通，把浮置扩散区剩余电荷抽走，复位到Uw。而当电荷到来时，复位管截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制T?管栅极电位变化。设电位变化量为AU,则有TOC\o"1-5"\h\z=坐(4)式中：Ch,是与浮置扩散区有关的总电容。如图10所示，总电容包括浮置二极管势垒电容Cd和OG、DG与FD间的耦合电容G、G,及T管的输入电容G,即CFD=Cd+Ct+C2+Cr(5)经放大器放大Ky倍后，输出的信号Uo=K\4U⑹以上两种输出机构均为破坏性的一次性输出。图10浮置扩散区FD的等效电容图11浮置栅放大器输出的等效电容3.浮置栅放大器输出图9(c)所示，T2的姗极不是直接与信号电荷的转移沟道相连接，而是与沟道上面的浮置栅相连。当信号电荷转移到浮置姗下面的沟道时，在浮置册上感应出镜像电荷，以此来控制T2的柵极电位，以达到信号检测与敖大的目的。显然，这种如图2-17所示的机构可以实现电荷在转移过程中进行非破坏性检测，由转移到①，下的电荷所引起的浮置栅上电压的变化为叽=?⑺十(Cj+C®+CK)+(C^+Cg)式中：C©■为FG与①2间氧化层电容。图11绘出了浮置栅放大器的复位电路及有关电容分布情况。Aik可以通过MOS晶体管L放大输出。5.CCD的基本特性参数5.1光电转换特性在CCD中，电荷包是由入射光子被硅衬底吸收产生的少数载流子形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子Y可达到99.7%。5.2转移效率n和转移损失率£电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如在t=0时，注入到某电极下的电荷为Q(0)；在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q(t),则转移效率为00)5)亠欢⑻0(0)0(0)转移损失率为£亠⑼0(0)理想情况下H应等于1,但实际上电荷在转移中有损失，所以T1总是小于1的(常为0.9999以上)。一个电荷为Q(0)的电荷包，经过n次转移后，所剩下的电荷0(")=0(0)/(10)(11)n次转移前后电荷量之间的关系为0(0)如果n=0.99,经24次转移后，-=78%,而经过192次转移后，如■=14%。由2(0)2(0)此可见，提高转移效率H是电荷耦合器件能否实用的关键。影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用"胖篆”工作模式,即让“篆”信号也有一定的电荷。5.3T作频率f1)工作频率的下限t标准

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